CN103460002A - 用于自行车的曲柄传动机构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于自行车的曲柄传动机构以及一种具有一电动机式的辅助驱动机构（10）和一这类曲柄传动机构（1）的自行车，所述曲柄传动机构包括一踏板曲柄轴（4）、两个踏板曲柄（3、5）、一电动机式的辅助驱动装置（10）和一用于检测施加到所述踏板曲柄轴（4）上的转矩的转矩传感器系统（50），所述踏板曲柄固定在所述踏板曲柄轴（4）的自由的端部上，其中，所述转矩传感器系统构造为电容式传感器系统（50）。

Description

用于自行车的曲柄传动机构
技术领域
本发明涉及一种用于自行车的曲柄传动机构，一种具有这类曲柄传动机构的自行车以及一种传感器系统。
背景技术
对于具有一种电动机式的辅助驱动机构的自行车（这些自行车也称为“智能电动车（Pedelecs）”或电动自行车）来说需要传感器系统，该传感器系统检测骑车人的踩踏频率（行驶愿望）。该传感器系统理想地应该集成在踏板曲柄轴中，以便将从踏板曲柄向所述传感器系统的信号链保持得尽可能短。尤其为了在坡上起动时得到更好的行为，用于踩踏频率和转矩的传感器组合是值得希望的。
因为自行车的踏板曲柄轴涉及完全旋转的轴，出于使用寿命的原因，无接触的传感器系统是有利的。踩踏频率传感器（确定踏板曲柄轴的旋转速度）能够容易地以传统的环形磁体和霍尔传感器实现为无接触的测量系统。但是，这在转矩传感器系统中较困难。目前，已知的系统大多在感应的基础上工作。但是，这些系统具有缺点，即，这些系统极容易对干扰的磁场作出反应。
因此，这类系统通过替换所述磁体或通过去除所述磁体来处理。由此，在较高的行驶功率时产生问题，这是因为这类功率提高是违反法律的，并且在产生较低的行驶功率时会导致不希望的功率损失。此外，通过这类处理能够使整个系统完全脱离运行。此外，基于必要的磁化特性而大多需要特殊材料，所述特殊材料与传统材料、如钢相比较贵并且经常不能经受相同的机械应力。
发明内容
因此而值得希望的是，提供一种用于自行车的曲柄传动机构以及一种具有这类曲柄传动机构的自行车，其中，能够在踏板曲柄轴中无接触地检测转矩，而不必忍受已知的感应式系统的缺点。
根据本发明的曲柄传动机构和根据本发明的自行车具有用于检测施加在踏板曲柄轴上的转矩的无接触工作的传感器系统的优点，其中，该传感器系统此外相对于磁性的干扰影响不敏感。此外得到如下优点，即，对于根据本发明的曲柄传动机构和根据本发明的自行车能够最大程度上使用标准材料。
具体地，根据本发明的曲柄传动机构具有一踏板曲柄轴，在该踏板曲柄轴的自由的端部上固定有踏板曲柄。此外，曲柄传动机构设有一电动机式的辅助驱动机构和一转矩传感器系统，这使如下成为可能，即，检测施加到踏板曲柄轴上的转矩。在此情况下，转矩传感器系统构造为电容式传感器系统，该电容式传感器系统使前面具体提到的优点的实现、如尤其相对于磁性干扰影响的不敏感性成为可能。
从属权利要求具有本发明的有利的改进方案的内容。
因为在一特别优选的实施方式中所述踏板曲柄轴是所述传感器系统的一部分，所以获得极其紧凑的构造方式的优点，此外，该构造方式使待制造的并且待装配的构件的最小化成为可能。
本发明的曲柄传动装置系统的紧凑性还通过如下方式来改进，即，将传感器套筒套置、优选压套在所述踏板曲柄轴上，该传感器套筒具有内齿部，该内齿部与踏板曲柄轴的外齿部通过如下方式共同作用，即，在外齿部或内齿部的齿上分别布置电极，所述电极在装配状态下彼此刚好对置。
整个结构的另一简化方案由此得出，即，在传感器套筒上在该传感器套筒的一端部上安置一外齿圈，该外齿圈啮合到辅助驱动机构的一传动齿轮中。
此外，在传感器套筒和踏板曲柄轴之间的连接能够通过如下方式被简化，即，在传感器套筒的另一个端部上设置用于将所述传感器套筒固定在所述踏板曲柄轴上的压配合装置。
整个结构的另一简化方案通过这种情况得出，即，在传感器套筒的外壁上布置有两个彼此间隔开的金属环，所述金属环与传感器套筒电地（galvanisch）分开并且与在传感器套筒的内齿部上的电极或与在踏板曲柄轴的外齿部上的电极连接。
此外，优选地在踏板曲柄轴上布置有一塑料套筒，该塑料套筒遮盖踏板曲柄轴的整个长度并且该塑料套筒设置得能够相对于所述踏板曲柄轴自由转动。
该塑料套筒在它的内壁上同样地设有两个间隔开的金属环，所述金属环在塑料套筒装配在踏板曲柄轴上的状态下布置在该踏板曲柄轴的金属套筒之上，这同样有利地有助于根据本发明的曲柄传动机构的整个结构的紧凑性。
塑料套筒优选在一端部上通过一轴承、优选一球轴承支承在踏板曲柄轴上。但是，也可能的是，塑料套筒的两个端部分别通过一轴承、优选一球轴承支承在踏板曲柄轴上。
在权利要求13和14中，将根据本发明的自行车限定为能单独出售的物品。
在权利要求15中限定了传感器系统作为能单独出售的物品。
附图说明
下面参考附图详细地描述本发明的实施例。在附图中：
图1具有集成的电动机式的辅助驱动机构的自行车的示意性视图，
图2根据本发明的曲柄传动机构的一优选实施方式的示意性视图，
图3图2的曲柄传动机构的踏板曲柄轴的示意性视图，
图4图2的踏板曲柄轴的示意性剖视图，
图5图2的踏板曲柄轴的示意性纵剖图，
图6图2的曲柄传动机构的踏板曲柄轴以及塑料套筒的示意性视图，
图7装配在踏板曲柄轴上的转矩传感器系统的示意性剖视图，
图8用于得到根据本发明的曲柄传动机构的转矩的功能原理的示意视图，和
图9传感器系统的灵敏度特征曲线的图示。
具体实施方式
下面参考图1至图8详细地描述用于自行车的根据本发明的曲柄传动机构1以及具有电的辅助驱动机构和这类曲柄传动机构1的自行车。
图1示出具有一集成的电的附加驱动机构或中央驱动机构的自行车2的示意性视图。如从图1可看出，中央驱动机构包括曲柄传动机构1、电的或电动机式的辅助驱动机构10、控制单元15、操作单元28和可再充电的能量源27。电动机式的辅助驱动机构10布置在下管26的下方并且在行驶方向上布置在自行车2的曲柄传动机构1的前面并且固定在下管26上。曲柄传动机构1具有踏板曲柄轴4，在该踏板曲柄轴的自由的端部上固定有踏板曲柄3或踏板曲柄5。如从图1可进一步看出，控制单元15固定在下管26上并且与电动机式的辅助驱动机构10和在自行车2的车把30上的操作单元28连通。此外，控制单元15为了能量供应而同样如电动机式的辅助驱动机构10那样联接在可再充电的能量源27上，该能量源布置在下管26和上管29之间的上部的框架三角中。电动机式的辅助驱动机构10通过固定在曲柄传动机构1上的齿轮17借助于齿带33连接，该齿带直接与链轮承载件31相邻地布置在曲柄传动机构1的相同的侧上。链轮承载件31与布置在自行车的后轮上的驱动小齿轮25通过链条28连接。
如从图2可看出，此外，曲柄传动机构1包括具有传感器套筒7的传感器系统50，在该传感器套筒的一个端部7A上（参看图3和图5）布置外齿圈8，该外齿圈啮合到辅助驱动机构10的传动齿轮9中。踏板曲柄轴4，如从图4可看出那样，在此情况下为传感器系统50的一部分并且具有局部的齿部（齿部，该齿部沿纵向方向不连贯地和/或不完整地绕360°环绕地构造）或外齿部6，所述局部的齿部或外齿部将踏板曲柄轴4在它的长度上优选分成大致1/3比2/3的比例。外齿部6具有齿6A，这些齿在一侧上分别具有一未示出的电极，所述电极布置在内齿部11的齿11A上的（未示出的）电极的对面，所述内齿部的齿是压套到踏板曲柄轴4上的传感器套筒7的一部分。在此情况下，在传感器系统50中的电极的两个替代的布置是可能的。在第一替代方案中，阳极26（或阴极）布置在踏板曲柄轴4的每个齿6A的各一侧上并且阴极27（或阳极）布置在传感器套筒7的齿11A的附属的对置的侧上。由此，使得能够实现在踏板曲柄轴的两个可能的转动方向上的转矩检测。
在第二替代方案中，阳极（或阴极）设置在所述轴的每个齿6A的各两侧上并且阴极（或阳极）设置在齿11A的附属的对置的那些侧上。该布置具有较简单的制造的优点，因为（踏板曲柄轴4和传感器套筒7的）两个齿圈能够分别制造为一大的电极。
在传感器套筒7的另一个端部7B上，如从图5可看出那样设置有一压配合装置21，借助于该压配合装置将传感器套筒7固定在踏板曲柄轴4上。此外，在传感器套筒7的外壁22上大致居中地布置有两个彼此间隔开的金属环12、13，这些金属环由传感器套筒7电地分开。金属环12、13通过优选集成在传感器套筒7中的、在这里不能看见的导线与在传感器套筒7的内齿部11上的电极连接或者与在踏板曲柄轴4的外齿部6上的电极连接。塑料套筒14，如从图6可进一步看出那样，在箭头P的方向上在整个踏板曲柄轴4上移动。塑料套筒14借助于一布置在一端部上的轴承25以如下方式支承在踏板曲柄轴4上，从而使得保证在踏板曲柄轴4和塑料套筒14之间不变的间距并且塑料套筒14能够自由地转动。替代地，塑料套筒14也可以借助于两个轴承支撑在所述踏板曲柄轴4上。
塑料套筒14在内壁18上具有两个间隔开的金属环16、17，所述金属环在将塑料套筒14装配在踏板曲柄轴4上的状态下在踏板曲柄轴的金属环12、13之上或沿径向对置地布置。所述金属环16、17各与一用于向控制单元15信号传递的向外引导的导线19、20连接。如从图7可看出，在传感器套筒7的外侧面22上的有传导能力的金属环12、13与在塑料套筒14的内侧面18上的金属环16、17一起作为以空气作为电介质的耦合电容器40起作用，所述空气处于其间的间距中。
作用链以由骑车人施加在踏板曲柄3、5上的转矩开始，该转矩使踏板曲柄轴4转动。然后，通过在踏板曲柄轴4上压套的传感器套筒7将以转矩形式的踏板曲柄力传递到传动齿轮9上，该传动齿轮啮合到传感器套筒7的外齿圈8中。因为传感器套筒7只在端部7A处压套到踏板曲柄轴4上，所以产生传感器套筒7的在压配合装置21和外齿圈8之间的弹性扭转。该扭转的强度取决于传感器套筒7的材料和几何尺寸（壁厚/长度）以及压配合装置21的长度。通过这些参数能够进行扭转强度的调节/适配。
通过传感器套筒7的外齿圈8相对于踏板曲柄轴4的内齿部11的扭转，在内齿部11和外齿部6之间的中间空间在一侧上变得较小或较大。该中间空间在一定程度上构成简单的板式电容器的间距d，板式电容器的两个电极相应于踏板曲柄轴4和传感器套筒7的相对置的电极面，如这通过用于板式电容器的一般公式以C=ε×A/d定义的那样。在每个齿上的各个面积的总和得出一总面积，该总面积构成转矩传感器系统50的合成的传感器电容CS。通过扭转所述传感器套筒7来改变该合成的传感器电容CS。在此情况下，如在图8中表示的那样，改变的传感器电容CS能够由耦合电容器40的电容C40例如通过信号调制确定。为了处理信号而需要一后联于传感器系统50的放大和过滤电路41。其中，均匀的、高频率的激励信号AS通过一改变的复杂的电阻以相位、频率和振幅被调制成经调制的信号MS。通过这三个调制类型中之一能够通过一适当的电的反调制器（Demodulator）D得出传感器电容CS的改变。借助于待确定的、与系统相关的传递函数F能够由此又确定施加的转矩。在此情况下要注意，例如也可以使用μC的参考电容作为检测方法，其方式是，传感器电容与参考电容构成电容式分压器（Spannungsteiler）。
在踏板曲柄轴4上的和该踏板曲柄轴的为此需要的频率信号的传递通过塑料套筒14的两个金属环16、17到传感器套筒7上地借助于在耦合电容器40上的电容式耦合来发生。为此，分别配属的金属环12、13;16、17，如上面描述的那样，必须布置在踏板曲柄轴4或塑料套筒14上并且因此尽可能刚好沿径向相对置。此外，中间空间应该这样尽可能小和不变，使得金属环12、13;16、17不接触。此外，金属环12、13;16、17应该尽可能地具有相同的宽度，该宽度应该又是尽可能大的。通过在踏板曲柄轴4和塑料套筒7之间的轴承25使踏板曲柄轴4保持自由转动并且传感器信号可以在没有附加构件，例如滑动触点或诸如此类的情况下分接在塑料套筒14上。
耦合电容器40的电容C40或合成的传感器电容CS示例性地计算如下：
传感器套筒半径：r=20mm
金属环的宽度：b=15mm
金属环的平均间距：d=0.5mm
电介质空气：ε=8.854×10-12As/Vm
A=2π×r×b=1885mm2
C40=ε×A/d=3.77m×8.854×10-12As/Vm=33.38pF
齿棱边（Zahnkante）的面积：AS=10mm×2mm
齿圈的齿数：n=64
平均间距：dS=0.5mm
AS=10mm×2mm×64=1280mm2
CS=ε×A/dS=2.56m×8.854×10-12As/Vm=22.67pF
从该示例计算可看出，如果传感器套筒7的外半径为大约2.5cm，金属环12、13;16、17的宽度等于1.5cm并且在对置的金属环12、13;16、17之间的间距为大约0.5mm，则大约30pF的电容C40完全能够达到。
在该示例中，作为传感器电容CS得出超过20pF，其中，齿棱边大约为10×2mm大小，齿圈具有64个齿并且平均间距为0.5mm。
在图9中，将传感器系统7的电极系统的前面涉及图4描述的替代方案的灵敏度特征曲线与间距改变Δd[%]相关地图形地表示为电容改变ΔC[%]。在此情况下，曲线K1代表第一替代方案的信号行程或曲线K2代表第二替代方案的信号行程。
传感器电容CS的变大基于较大的信号行程导致明显降低的易受干扰性。传感器电容的变大能够在没有改变构件的尺寸或总的结构容积的情况下然而只通过另一电介质实现。为此，在踏板曲柄轴4和传感器套筒7之间的中间空间可以例如优选以硅酮泡沫（具有作为平衡容积的存储的小气泡的硅酮）填充，由此能够实现直到三倍的电容提高。此外由此实现传感器系统50的电极的绝缘以及提高的机械稳定性。
根据本发明的曲柄传动机构1借助于转矩传感器装置50提供无接触的电容式检测施加在踏板曲柄轴4上的转矩，该检测相对于磁性的干扰影响是很大程度上不敏感的。此外，对于使用的构件来说可以使用最大程度上成本低廉的标准材料，所述标准材料也在行驶运行中承受最高的机械应力。
虽然上面以用于自行车的曲柄传动机构为例阐述了传感器系统50，但是传感器系统50不限制于该使用目的。确切地说，所述传感器系统是能单独出售的物品，该物品可以在轴的情况下使用用于转矩测量，所述轴为另外的技术系统的部件。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.用于自行车（2）的曲柄传动机构，包括：
-一踏板曲柄轴（4），
-两个踏板曲柄（3、5），所述踏板曲柄固定在所述踏板曲柄轴（4）的自由的端部上，和
-一用于检测施加到所述踏板曲柄轴（4）上的转矩的转矩传感器系统（50），
其中，所述转矩传感器系统构造为电容式传感器系统（50），
其中，所述踏板曲柄轴（4）是所述传感器系统（50）的一部分，所述踏板曲柄轴具有一外齿部（6），所述外齿部的齿（6A）在一侧上分别具有一电极，所述电极布置在一内齿部（11）的齿（11A）上的电极的对面，所述内齿部的齿是一压套到所述踏板曲柄轴（4）上的传感器套筒（7）的一部分，
其中，一塑料套筒（14）布置在整个踏板曲柄轴（4）上，所述塑料套筒能够绕所述踏板曲柄轴（4）自由地转动，
其特征在于，
所述塑料套筒（14）在它的内壁（18）上设有两个间隔开的金属环（16、17），所述金属环各与一向外引导的导线（19、20）连接并且所述金属环在将所述塑料套筒（14）装配在所述踏板曲柄轴（4）上的状态下布置在所述踏板曲柄轴的金属环（12、13）之上。
2.根据权利要求1所述的曲柄传动机构，其特征在于，所述传感器套筒（7）在一端部（7A）上具有一外齿圈（8），所述外齿圈啮合到所述辅助驱动机构（10）的一传动齿轮（9）中。
3.根据权利要求1或2所述的曲柄传动机构，其特征在于，在所述传感器套筒（7）的另一端部（7B）上布置有一用于所述踏板曲柄轴（4）的压配合装置（21）。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的曲柄传动机构，其特征在于，在所述传感器套筒（7）的外壁（22）上大致居中地布置有两个彼此间隔开的金属环（12、13），所述金属环与所述传感器套筒（7）电地分开。
5.根据权利要求4所述的曲柄传动机构，其特征在于，所述金属环（12、13）通过导线，优选集成在所述传感器套筒（7）中的导线，与在所述传感器套筒（7）的内齿部（11）上的电极或与在所述踏板曲柄轴（4）的外齿部（6）上的电极连接。
6.根据权利要求1所述的曲柄传动机构，其特征在于，所述塑料套筒（14）在它的端部中的一个或两个端部上分别通过一轴承（25）支承在所述踏板曲柄轴（4）上。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的曲柄传动机构，其特征在于，所述踏板曲柄轴（4）的外齿部（6）构造为局部的齿部。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的曲柄传动机构，其特征在于一电动机式的辅助驱动机构（10）。
9.根据权利要求1至11中任一项所述的曲柄传动机构，其特征在于，所述外齿部（6）将所述踏板曲柄轴（4）在它的长度上分成大致1/3比2/3。
10.具有一曲柄传动机构（1）的自行车，包括：
-一踏板曲柄轴（4）、两个踏板曲柄（3、5）和一用于检测施加到所述踏板曲柄轴（4）上的转矩的转矩传感器系统（50），所述踏板曲柄固定在所述踏板曲柄轴（4）的自由的端部上，
-其中，所述转矩传感器系统构造为电容式传感器系统（50），
其中，所述踏板曲柄轴（4）是所述传感器系统（50）的一部分，所述踏板曲柄轴具有一外齿部（6），所述外齿部的齿（6A）在一侧上分别具有一电极，所述电极布置在一内齿部（11）的齿（11A）上的电极的对面，所述内齿部的齿是一压套到所述踏板曲柄轴（4）上的传感器套筒（7）的一部分，
其中，一塑料套筒（14）布置在整个踏板曲柄轴（4）上，所述塑料套筒能够绕所述踏板曲柄轴（4）自由地转动，
其特征在于，
所述塑料套筒（14）在它的内壁（18）上设有两个间隔开的金属环（16、17），所述金属环各与一向外引导的导线（19、20）连接并且所述金属环在将所述塑料套筒（14）装配在所述踏板曲柄轴（4）上的状态下布置在所述踏板曲柄轴的金属环（12、13）之上。
11.根据权利要求11所述的自行车，其特征在于权利要求1至9的特征中的至少一个特征。
12.电容式传感器系统（50），所述电容式传感器系统具有一带有外齿部（6）的轴，所述外齿部的齿（6A）在一侧上分别具有一电极（26），所述电极布置在一内齿部（11）的齿（11A）上的电极（27）的对面，所述内齿部的齿是一压套到所述轴（4）上的传感器套筒（7）的一部分。

Claims (15)

1.用于自行车（2）的曲柄传动机构，包括：
-一踏板曲柄轴（4），
-两个踏板曲柄（3、5），所述踏板曲柄固定在所述踏板曲柄轴（4）的自由的端部上，和
-一用于检测施加到所述踏板曲柄轴（4）上的转矩的转矩传感器系统（50），
-其中，所述转矩传感器系统构造为电容式传感器系统（50）。
2.根据权利要求1所述的曲柄传动机构，其特征在于，所述踏板曲柄轴（4）是所述传感器系统（50）的一部分，所述踏板曲柄轴具有一外齿部（6），所述外齿部的齿（6A）在一侧上分别具有一电极，所述电极布置在一内齿部（11）的齿（11A）上的电极的对面，所述内齿部的齿是一压套到所述踏板曲柄轴（4）上的传感器套筒（7）的一部分。
3.根据权利要求2所述的曲柄传动机构，其特征在于，所述传感器套筒（7）在一端部（7A）上具有一外齿圈（8），所述外齿圈啮合到所述辅助驱动机构（10）的一传动齿轮（9）中。
4.根据权利要求2或3所述的曲柄传动机构，其特征在于，在所述传感器套筒（7）的另一端部（7B）上布置有一用于所述踏板曲柄轴（4）的压配合装置（21）。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的曲柄传动机构，其特征在于，在所述传感器套筒（7）的外壁（22）上大致居中地布置有两个彼此间隔开的金属环（12、13），所述金属环与所述传感器套筒（7）电地分开。
6.根据权利要求5所述的曲柄传动机构，其特征在于，所述金属环（12、13）通过导线，优选集成在所述传感器套筒（7）中的导线，与在所述传感器套筒（7）的内齿部（11）上的电极或与在所述踏板曲柄轴（4）的外齿部（6）上的电极连接。
7.根据权利要求2至6中任一项所述的曲柄传动机构，其特征在于，一塑料套筒（14）布置在整个踏板曲柄轴（4）上，所述塑料套筒能够绕所述踏板曲柄轴（4）自由地转动。
8.根据权利要求7所述的曲柄传动机构，其特征在于，所述塑料套筒（14）在它的内壁（18）上设有两个间隔开的金属环（16、17），所述金属环各与一向外引导的导线（19、20）连接并且所述金属环在将所述塑料套筒（14）装配在所述踏板曲柄轴（4）上的状态下布置在所述踏板曲柄轴的金属环（12、13）之上。
9.根据权利要求7或8所述的曲柄传动机构，其特征在于，所述塑料套筒（14）在它的端部中的一个或两个端部上分别通过一轴承（25）支承在所述踏板曲柄轴（4）上。
10.根据权利要求2至9中任一项所述的曲柄传动机构，其特征在于，所述踏板曲柄轴（4）的外齿部（6）构造为局部的齿部。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的曲柄传动机构，其特征在于一电动机式的辅助驱动机构（10）。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的曲柄传动机构，其特征在于，所述外齿部（6）将所述踏板曲柄轴（4）在它的长度上分成大致1/3比2/3。
13.具有一曲柄传动机构（1）的自行车，包括：
-一踏板曲柄轴（4）、两个踏板曲柄（3、5）和一用于检测施加到所述踏板曲柄轴（4）上的转矩的转矩传感器系统（50），所述踏板曲柄固定在所述踏板曲柄轴（4）的自由的端部上，
-其中，所述转矩传感器系统构造为电容式传感器系统（50）。
14.根据权利要求13所述的自行车，其特征在于权利要求2至12的特征中的至少一个特征。
15.电容式传感器系统（50），所述电容式传感器系统具有一带有外齿部（6）的轴，所述外齿部的齿（6A）在一侧上分别具有一电极（26），所述电极布置在一内齿部（11）的齿（11A）上的电极（27）的对面，所述内齿部的齿是一压套到所述轴（4）上的传感器套筒（7）的一部分。
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